基于數(shù)據(jù)挖掘的醫(yī)療信息管理系統(tǒng)設(shè)計

黃晞

(1.江蘇大學(xué)附屬武進醫(yī)院， 江蘇 常州 213002；2.徐州醫(yī)科大學(xué)武進臨床學(xué)院， 江蘇 常州 213002)

0 引言

由于人口結(jié)構(gòu)老齡化，人們對醫(yī)療健康的需求不斷上漲，醫(yī)療信息管理系統(tǒng)作為集信息管理、醫(yī)學(xué)、計算機等學(xué)科于一體的新興科學(xué)，在當(dāng)今社會發(fā)展的推動下，得到了廣泛應(yīng)用。作為現(xiàn)代化醫(yī)院運營的必要技術(shù)支撐和基礎(chǔ)設(shè)施，醫(yī)療信息管理系統(tǒng)是醫(yī)院以及人們生活中不可或缺的一部分[1]。患者人數(shù)的增加導(dǎo)致了醫(yī)療信息數(shù)據(jù)也在呈幾何式增加，隨著醫(yī)療病案信息的逐年增長，其海量數(shù)據(jù)的管理出現(xiàn)了急需解決的問題，需要利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對醫(yī)療信息重新檢索并整理。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在西方國家有許多成功的醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用案例，且取得了醫(yī)學(xué)方面的研究成果，而現(xiàn)如今國內(nèi)對于該技術(shù)的研究尚處在起步階段[2-4]。由于醫(yī)療信息的特殊性，且醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)量大又復(fù)雜，該方面的研究受到了一定程度的限制。為此提出本文研究，優(yōu)化醫(yī)療服務(wù)水平，提高患者的滿意度。

1 醫(yī)療信息管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 控制器選擇

對于信息管理系統(tǒng)而言，其中心控制器的選擇是十分重要的，選取由STM32最小系統(tǒng)構(gòu)成的STM32F103ZET6型號控制器，通過各接口傳輸控制管理信息，并將其存儲到醫(yī)療數(shù)據(jù)庫中，具體實物，如圖1所示。

圖1 主控制器模塊實物圖

圖1中的控制器模塊采用三十二位Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器，能夠?qū)⒐ぷ黝l率保持在72 MHz。其核心電路由微控制芯片、數(shù)據(jù)存儲器、復(fù)位電路、電源穩(wěn)壓電路和晶振電路等部分構(gòu)成，具體電路設(shè)計情況，如圖2所示。

由圖2看出，電源穩(wěn)壓電路作為最核心的供電部分，能夠通過外部連接的5 V電源保證正常供給。利用晶振電路控制時鐘信號，在控制器運行時，為其提供時鐘脈沖[5-7]。在此基礎(chǔ)上將讀寫器模塊加以優(yōu)化，為后續(xù)的軟件設(shè)計提供支持。

圖2 電路設(shè)計圖

1.2 讀寫器設(shè)計

結(jié)合實際情況，考慮醫(yī)療信息管理的實際需求，將讀寫器部分的設(shè)計劃分為電源模塊、射頻模塊和控制模塊，如圖3所示。

圖3 讀寫器模塊設(shè)計圖

由圖3可知，在原有讀寫器模塊的基礎(chǔ)上，采用兩種不同頻段的射頻模塊，分別實現(xiàn)與無線數(shù)據(jù)中繼器以及管理終端間的通信。由于兩者的頻段特性與運行要求皆不相同，利用對照比較，分析該模塊性能，如表1所示。

表1 433M與2.4G有源射頻識別模塊性能對比

由表1的對照分析得出:433M有源射頻識別模塊的傳輸距離遠，且穿透力較強，能夠在復(fù)雜的醫(yī)療環(huán)境當(dāng)中完成通信任務(wù)；而2.4G有源射頻識別模塊的識別速度較快，且能夠有效減少串?dāng)_，其兩者各有特點，能夠結(jié)合實際需求，選擇更為合適的工作方式[8-10]。至此完成醫(yī)療信息管理系統(tǒng)硬件部分的優(yōu)化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，設(shè)計其軟件部分。

2 基于數(shù)據(jù)挖掘的醫(yī)療信息管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

按照醫(yī)院的職能劃分，醫(yī)療信息管理問題通常由信息科歸口統(tǒng)一處理，醫(yī)院的數(shù)據(jù)信息密集，且信息更新頻繁，所需要處理的信息量按照醫(yī)院業(yè)務(wù)，能夠劃分為患者信息、管理信息、業(yè)務(wù)辦理信息和醫(yī)療費用結(jié)算信息四個部分，如圖4所示。

圖4 基本信息流向

圖4中的患者信息涵蓋了患者的診斷信息、檢查結(jié)果、住院信息以及手術(shù)或用藥情況等基本信息；業(yè)務(wù)辦理信息則包括了患者的預(yù)約，藥品的出入庫情況，以及患者的入院出院辦理時間；而管理信息則是根據(jù)業(yè)務(wù)辦理情況，實時記錄患者的流動情況，身體狀態(tài)的恢復(fù)程度等；醫(yī)療費用結(jié)算信息包括了在診治以及用藥、住院或手術(shù)等環(huán)節(jié)的具體花銷[11-13]。

2.1 基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在信息管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了該系統(tǒng)能否高效運行。如今開發(fā)的醫(yī)療信息管理系統(tǒng)普遍采用數(shù)據(jù)與控制分離的觀念，即為了方便對信息系統(tǒng)以后的業(yè)務(wù)調(diào)整和升級改造，使信息系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)的功能控制分離。為此，選擇了MVC模型，MVC模型分三層：模型層、視圖層和控制層，如圖5所示。

圖5 mvc三層結(jié)構(gòu)模型圖

其中，模型層主要實現(xiàn)信息系統(tǒng)的功能，處理其業(yè)務(wù)流程，制定其必須遵守的業(yè)務(wù)規(guī)則。視圖層主要用于界面展示，負(fù)責(zé)與用戶進行交互，接受用戶請求，并展示處理結(jié)果。控制層是一個中間層，是模型層與視圖層的橋梁，兩者通過控制層進行數(shù)據(jù)傳遞和操作控制。在充分考慮到醫(yī)療行業(yè)的實際需求后，將所需要的數(shù)據(jù)信息在不同業(yè)務(wù)模塊中，經(jīng)過ETL處理，存儲在相應(yīng)的數(shù)據(jù)表當(dāng)中，形成不同主題的數(shù)據(jù)集市,如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)集市設(shè)計示意圖

對于每一個樣例e，計算其應(yīng)該屬于的類,如式(1)。

(1)

對于每一個類i，重新計算該類的質(zhì)心,如式(2)。

(2)

式中,K表示事先給定的聚類數(shù);ci∈{1,2,…,K}表示樣例e與K個類中距離最近的那個類，αi表示對屬于同一個類的樣本的質(zhì)心。

定義畸變函數(shù)，如式(3)

(3)

式中，J表示每個樣本點到其質(zhì)心的距離平方和，使其數(shù)值保持在最小范圍內(nèi)，將α與c同時收斂，使聚類結(jié)果達到局部最優(yōu)，依據(jù)概率強度以及關(guān)聯(lián)重要度實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化設(shè)計。

2.2 藥品進銷存管理

醫(yī)療信息管理系統(tǒng)在存儲大量患者信息的同時，也會整理醫(yī)療器械以及藥品的進銷存情況，其目的在于實現(xiàn)醫(yī)院藥品采購銷售，庫存盤點以及藥品分類等業(yè)務(wù)的自動化管理，快速地對藥品情況統(tǒng)計分析，以此加強醫(yī)院的規(guī)范化管理，其具體管理流程，如圖7所示。

圖7 藥品進銷存管理

藥品的進銷存管理是每個醫(yī)院不可忽視的重要環(huán)節(jié)，為方便管理以及后續(xù)藥品使用情況的錄入與查詢，根據(jù)醫(yī)院資源配置的實際需求，設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)項定義表，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)項定義表

根據(jù)上述數(shù)據(jù)項定義表能夠有效簡化藥品進銷存管理步驟，提高信息管理效率。藥品的盤點與庫存管理間聯(lián)系密切，藥品的盤點需要建立在庫存數(shù)據(jù)信息正確的前提下，并在完成盤點后更新庫存數(shù)據(jù)[14-15]。至此完成基于數(shù)據(jù)挖掘的醫(yī)療信息管理系統(tǒng)設(shè)計，為測試所設(shè)計系統(tǒng)在實際應(yīng)用當(dāng)中的效果，提出如下對照實驗。

3 系統(tǒng)性能測試

為檢測將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療信息管理系統(tǒng)當(dāng)中后，該系統(tǒng)的性能變化，設(shè)計仿真對照實驗，模擬醫(yī)院在運用過程中，其信息管理系統(tǒng)的運行情況，將所設(shè)計系統(tǒng)在長時間高并發(fā)模式下的數(shù)據(jù)吞吐量與其他兩種常規(guī)系統(tǒng)相比較，分析三者之間的差異性，得出實驗結(jié)果。

3.1 測試準(zhǔn)備過程

由于患者的信息數(shù)據(jù)是受到國家法律保護的，為保護患者的個人隱私，實驗中所采用的數(shù)據(jù)并非患者的真實數(shù)據(jù)。但為了保證實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性以及所得結(jié)果的真實性，在獲得醫(yī)院及患者準(zhǔn)許的前提下，利用醫(yī)院所提供的100名患者的真實信息數(shù)據(jù)，利用相關(guān)程序生成100萬條模擬醫(yī)療數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入實驗平臺當(dāng)中,如圖8所示。

圖8 導(dǎo)入模擬數(shù)據(jù)

導(dǎo)入完成后開始運行系統(tǒng)，在登錄界面中完善相關(guān)信息,如圖9所示。

圖9 信息管理界面

模擬查看、修改、刪除、存儲等操作，記錄數(shù)據(jù)庫的運行情況，分析在高并發(fā)情況下的系統(tǒng)運行情況。

3.2 結(jié)果對照分析

在上述實驗準(zhǔn)備完成后，通過計算機模擬，利用所準(zhǔn)備的100萬條醫(yī)療數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)在超高并發(fā)下的數(shù)據(jù)吞吐情況，系統(tǒng)每隔10秒采集一次指令完成情況，得到測試結(jié)果，如圖10所示。

(a) 對照組1測試結(jié)果

圖10為所設(shè)計系統(tǒng)在長時間高并發(fā)模式下的寫入數(shù)據(jù)吞吐量變化情況，與其他兩種常規(guī)系統(tǒng)的對比結(jié)果。由三者之間的對比能夠得知，常規(guī)的信息管理系統(tǒng)在并發(fā)數(shù)較低時能夠保障系統(tǒng)的順利運行，但在高并發(fā)情況下，其寫入速度明顯無法滿足系統(tǒng)的運行需求，對照組2的測試結(jié)果雖然比對照組1相對穩(wěn)定，但仍達不到所需標(biāo)準(zhǔn)。而將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療信息管理系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，其數(shù)據(jù)寫入速度雖然在執(zhí)行一段時間后開始降低，但很快又趨于穩(wěn)定，且始終保持在可控制范圍內(nèi)，保障了系統(tǒng)的正常運行。

4 總結(jié)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中嶄露頭角，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在醫(yī)療管理方面應(yīng)用頻繁，患者信息的實時更新以及查詢?yōu)獒t(yī)療活動提供了極大的便利，上述研究利用該技術(shù)，優(yōu)化了醫(yī)療信息管理系統(tǒng)，希望能夠為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供理論基礎(chǔ)，但由于研究時間不足，尚有部分內(nèi)容需要在后續(xù)研究中加以完善。